Annales de Toxicologie Analytique, vol.

XIX, n° 1, 2007

Dosage des métaux lourds (As, Cd, Cr, Cu,

Ni, Pb, Zn et Hg) dans les sols par ICP-MS

Analysis of heavy metals (As, Cd, Cr, Cu, Ni,

Pb, Zn et Hg) in soils by ICP-MS

Nicolas ALSAC
Eurofins Environnement

Auteur à qui adresser la correspondance : Nicolas ALSAC, Eurofins Environnement,

5, rue d’Otterswiller, 67700 Saverne
Tél : +333 88 911 911 - Fax : +333 88 916 531 - E-mail : nicolasalsac@eurofins.com

(Reçu le 1er février 2007 ; accepté après modifications le 8 mars 2007)

RÉSUMÉ SUMMARY
Dans le cadre d’études de sites pollués, l’analyse des huit In the case of studies of contaminated sites, arsenic, cad-
métaux lourds suivants arsenic, cadmium, chrome, cuivre, mium, chromium, copper, lead, zinc and mercury are almost
nickel, plomb, zinc et mercure est quasi-systématique. Des always analyzed. Guide values are used to express the level
valeurs guides sont utilisées afin de statuer sur le niveau de of pollution depending on the future use of the site. Environ-
pollution éventuel en fonction de l’usage futur du site. Les mental laboratories usually quantify those elements using
laboratoires environnementaux dosent généralement ces two different analytical methods. One for the first seven me-
éléments en utilisant deux techniques analytiques différentes, tals, the second one dedicated to mercury. The aim of this
l’une pour les sept premiers métaux et une seconde dédiée study was to set up the analysis of the eight elements by
au mercure. Le but de cette étude était de mettre en place le only one method (ICP-MS) for a routine use. Previously to
dosage de l’ensemble des huit éléments par une seule technique the analysis, soil samples are pre treated (drying, milling,
(ICP-MS) pour une application en routine. Préalablement à
grinding) and digested with aqua regia. The digestate can
l’analyse, les échantillons de sol subissent un prétraitement
be diluted before analysis. This dilution helps to reduce in-
(séchage, tamisage, broyage) puis une minéralisation à l’eau
régale. Le minéralisat peut ensuite être dilué avant analyse. terferences due to acids but must remain sensitive enough
Cette dilution permet de réduire les interférences dues aux compared to the guide values. A collision chamber (CCT)
acides ou à la matrice elle-même mais doit permettre de was used to analyse some elements (As, Cr, Cu and Zn). The
garder une sensibilité suffisante vis-à-vis des valeurs guides analysis of mercury which has an important memory effect
à atteindre. Une chambre de collision (CCT) a été utilisée must be specifically treated to prevent a long rinsing time or
pour le dosage de certains éléments (As, Cr, Cu et Zn). Le a cross contamination. We used gold spiking to aggregate
mercure qui possède un effet mémoire important doit faire mercury and reduce the phenomenon to an acceptable le-
l’objet d’un traitement spécifique pour permettre de le doser vel. When it was possible, many isotopes were studied to be
sans arriver à des temps de rinçage excessifs ou risquer able to observe interferences. After all the parameters were
des contaminations croisées. Nous avons pour cela utilisé established, the validation was particularly focused on the
des dopages en or provoquant la complexation du mercure limits of quantification, the specificity, the repeatability and

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Article available at http://www.ata-journal.org or http://dx.doi.org/10.1051/ata:2007006
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pour ramener ce phénomène à un niveau acceptable. Dans the accuracy of each element. This method fulfils the scope
la mesure du possible, plusieurs isotopes ont été étudiés afin of application needed and is easy to use in routine.
de pouvoir visualiser les interférences possibles. Une fois
l’ensemble des paramètres fixés, la validation de la méthode
a été réalisée en particulier sur les éléments de limite de
quantification, de spécificité, de répétabilité et de justesse
pour chaque élément. Cette méthode s’avère compatible
avec le domaine d’application concerné et facile à utiliser
en routine.

MOTS-CLÉS KEY-WORDS
ICP-MS, métaux lourds, analyse, sols, sites pollués. ICP-MS, heavy metals, analysis, soils, contaminated sites.

d’études de ces sites porte pour les métaux au moins

Introduction sur ces huit éléments, d’où l’intérêt de disposer d’une
Dans le cadre d’études de sols sur des sites pollués méthode d’analyse simple pour les doser en une fois.
ou potentiellement pollués, les huit métaux lourds L’évaluation de la pollution d’un site peut se faire sur la
(arsenic, cadmium, chrome, cuivre, nickel, plomb, zinc base de la comparaison à des valeurs guides (5). L’une
et mercure) font l’objet d’une attention particulière des catégories de valeurs est appelée VDSS (valeur de
(1). Ils sont quasi-systématiquement demandés en définition de source-sol). Elle permet de définir la source
analyse. Mais, dans les laboratoires d’environnement, de pollution constituée par un sol. C’est à partir de ce
la mesure de ces métaux se fait en général par deux jeu de valeurs que nous allons établir notre domaine de
techniques différentes. D’un côté le mercure est analysé travail analytique. Sachant qu’il est souhaitable d’avoir
par spectrométrie d’absorption atomique (SAA) ou par des limites de quantification inférieures ou égales
spectrométrie de fluorescence atomique (SFA) après un à 10% de la valeur guide (tableau II). Le mercure, le
traitement spécifique (réduction et vapeurs froides par cadmium et l’arsenic sont les métaux pour lesquels la
exemple) (2). D’un autre côté, les sept autres métaux plus grande sensibilité devra être atteinte. Les limites de
sont analysés par SAA ou par spectrométrie d’émission quantification actuelles sont celles obtenus en SFA pour
atomique (ICP-AES) (3, 4). le mercure et en ICP-AES pour les autres métaux.
L’utilisation de l’ICP-MS dans ce type d’études permet
d’envisager le dosage de tous ces métaux lors de la même Tableau II : Valeurs guides et limites de quantification (LQ).
analyse. Nous verrons lors de cette étude les difficultés
Polluant VDSS LQ souhaitables LQ actuelles
soulevées par la mise en place de cette méthode et les
(mg/kg) (mg/kg) (mg/kg)
éléments de validation qui ont pu être réalisés.
Pb 200 20 5
Les huit métaux lourds sont retrouvés très souvent sur les
sites pollués, en effet ceux-ci (hors mercure) sont listés Zn 4500 450 10
parmi les dix premières sources de pollution (tableau I). Cr 65 6,5 5
Le mercure lui intervient dans un peu plus de 4% des Cu 95 9,5 5
cas. Dans ces circonstances, le besoin analytique lors As 19 1,9 1
Ni 70 7 1
Tableau I : Principales pollutions constatées sur sites pollués. Cd 10 1 1
Hg 3,5 0,35 0,1
Polluant Occurence
Hydrocarbures 40,26 %
H.A.P. 17,52 %
Pb 17,80 % Matériel et méthodes
Zn 10,45 % Le protocole de prétraitement des sols avant analyse
Solvants halogénés 14,47 % des métaux est utilisé en routine au laboratoire. Il
Cr 15,54 % est efficace, conforme aux normes en vigueur et
Cu 14,55 %
indépendant du choix analytique en aval. Il ne fait donc
pas l’objet de modifications pour le dosage en ICP-MS.
As 12,39 %
Ce prétraitement est constitué de deux étapes avant
Ni 10,09 % analyse : préparation puis minéralisation. La préparation
Cd 6,33 % permet de travailler sur un sous échantillon suffisamment

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homogène pour être représentatif de l’échantillon reçu

au laboratoire. L’échantillon est séché dans une étuve à
40°C pendant au moins 16 heures. Il est ensuite émotté
avant d’être passé sur un tamis de 2 mm. La partie
inférieure à 2 mm est ensuite broyée afin d’obtenir
une poudre de granulométrie inférieure à 250 μm. La
minéralisation est réalisée sur environ exactement
0,5 g de cette poudre avec 6 ml d’acide chlorhydrique
et 2 ml d’acide nitrique (eau régale). Cette étape se fait
à 95°C pendant 75 minutes sur un bloc chauffant. Le
minéralisat est ensuite ajusté à 50 ml.
Une dilution adaptée doit être ensuite réalisée avant
analyse par ICP-MS. Un appareil de la marque Thermo
Electron modèle X7 a été utilisé pour cette étude.
Celui-ci est équipé d’une chambre de collision (CCT)
alimentée avec un mélange He/H2.

Résultats et discussion
Gestion de la matrice eau régale
Les acides utilisés pour la minéralisation (eau régale)
amènent un effet de matrice important pour le dosage
en ICP-MS. D’autre part l’eau régale présente un
caractère corrosif non négligeable qui peut agir sur
certaines parties de l’appareil. Il est donc important
de diminuer l’effet de matrice apporté par l’eau régale
en diluant le minéralisat. Cette dilution devant tout de
même permettre de garder assez de sensibilité vis-à-vis
des limites de quantification à atteindre. Une dilution
au dixième dans l’eau déminéralisée a été tout d’abord
étudiée. Deux gammes d’étalonnage complètes sont
Figure 1 : Droites d’étalonnage du zinc, de l’arsenic et du
analysées.
cadmium.
On observe d’une part que le chrome est inexploitable
sur tous les points de gamme et d’autre part que le bruit validation de la limite de quantification difficile à ce
de fond dans les blancs est très important sauf pour le niveau de concentration. Par conséquent, une attention
cadmium, le plomb et le mercure. De ce fait, l’appareil particulière sur les risques de contamination est apportée
ne peut détecter de différence entre les blancs et les sur le processus entier. A ce niveau de dilution, les blancs
étalons les moins concentrés. Nous vérifions ensuite par ne présentent pas un signal en nickel significativement
l’analyse d’une solution d’acide chlorhydrique que cet plus élevé.
acide est la source principale de ce bruit de fond pour Donc avec une dilution au cinquantième, l’eau régale
tous les éléments sauf le mercure. présente un effet de matrice suffisamment réduit pour
Nous avons aussi constaté l’effet de l’eau régale sur les permettre un étalonnage satisfaisant sur l’ensemble
cônes de l’appareil par une augmentation significative des métaux et un caractère corrosif atténué de façon
du signal du nickel sur les blancs. Une dilution plus forte acceptable. Par contre, on atteint la limite de sensibilité
est donc étudiée de la même façon (au cinquantième). pour l’arsenic et il n’est donc pas utile d’étudier une
Le bruit de fond baisse alors de façon suffisamment dilution plus importante du minéralisat.
significative pour permettre l’exploitation de tous
les métaux sur l’ensemble de la gamme d’étalonnage Gestion de l’effet mémoire du mercure
(figure 1). Le mercure pour lequel, la plus grande Le mercure a tendance à se fixer facilement dans les
sensibilité est nécessaire, se comporte très bien en terme circuits de prélèvement et d’introduction. Il présente
de signal et de linéarité. On fait la même observation donc un effet mémoire important qui peut compliquer
pour le cadmium. Par contre, l’arsenic présente encore son dosage en présence d’échantillons potentiellement
un bruit de fond inquiétant en comparaison au premier contaminés. La première conséquence peut être la
point d’étalonnage à 0,2 μg/l. Ceci pourra rendre la contamination d’un échantillon par un autre, la seconde

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peut être un allongement très significatif des temps de et le mercure. Cette différence provient essentiellement
rinçage entre échantillons. de l’écart entre les dilutions utilisées (1/10 en ICP-AES
Nous avons procédé à l’analyse d’échantillons dopés pour 1/50 en ICP-MS). Par ailleurs, l’objectif en terme
à 1 μg/l en mercure et observé les temps de rinçage de limite de quantification étant atteint, nous n’avons
nécessaires pour revenir à la ligne de base. Un temps de pas cherché à les abaisser.
rinçage variant entre 60 et 100 secondes s’avère suffisant.
Spécificité
Mais si on injecte un échantillon blanc contenant de l’or
à 200 μg/l ensuite, on observe une libération de mercure La spécificité de la méthode est vérifiée par ajout dosé à
dans le système et donc un temps de rinçage plus long. plusieurs niveaux de concentration sur des échantillons
Ceci confirme bien que du mercure s’est déposé dans réels. Un exemple est donné pour le cuivre avec la
le système et que l’or par complexation du mercure figure 2. Cette vérification n’a pas présenté de difficulté
permet de l’évacuer. L’or a donc été ensuite directement particulière que l’échantillon de départ soit faiblement
ajouté à la solution de rinçage. On obtient ainsi pour le ou fortement chargé et quel que soit le niveau de
mercure un comportement similaire à celui des autres dopage. La dilution systématique des échantillons au
métaux avec des temps de rinçage équivalent. cinquantième permet donc aisément à l’ICP-MS de
s’affranchir des effets de la matrice sol.
Validation de la méthode
Les essais précédents nous ont permis de trouver les
meilleurs paramètres analytiques. Nous avons ensuite
vérifié que cette méthode satisfait à nos critères de
qualité en répondant aux exigences de notre processus
de validation. Celui-ci passe par la réalisation d’essais
codifiés qui nous permettent de vérifier la validité de la
méthode en particulier sur les éléments suivants : limites
de quantification, spécificité et justesse.
Limite de quantification
Les limites de quantification à priori accessibles ont
été évaluées précédemment. Nous allons vérifier que
ces limites sont effectivement valides par l’analyse
de dix dopages à cette concentration dans la matrice
réelle. Les critères de justesse et de fidélité sont vérifiés
pour l’ensemble des éléments étudiés. Même l’arsenic
qui présente toujours un niveau de bruit de fond élevé
passe facilement les critères statistiques avec un écart
à la valeur théorique de 3% et un écart type relatif de
3,1%. Finalement, tous les métaux ont été validés avec
une limite de quantification inférieure ou égale à celle
souhaitée vis-à-vis des valeurs guides (tableau III). On
Figure 2 : Étude de la spécificité du cuivre.
observera tout de même que certains éléments ont des
limites de quantification en ICP-MS supérieures à celles
obtenues en ICP-AES. C’est le cas pour le zinc, le nickel
Justesse
Tableau III : Limites de quantification validées en ICP-MS. La vérification de la justesse permet de clore la validation
de la méthode. Un matériau certifié est analysé en
Métal LQ ICP-MS(mg/kg) LQ souhaitables (mg/kg)
appliquant l’ensemble de la méthode (Tableau IV).
Pb 5 20
Compte tenu de l’incertitude associée aux valeurs
Zn 50 450 certifiées, l’ensemble des métaux sont conformes.
Cr 5 6,5 On observe d’ailleurs un très faible écart aux valeurs
Cu 5 9,5 certifiées (inférieur ou égal à 10%) sauf pour l’arsenic.
As 1 1,9 Pour ce dernier, on obtient un écart de 37% qui reste
Ni 5 7
cependant conforme car l’incertitude sur la valeur
certifiée est elle aussi nettement plus importante.
Cd 1 1
L’analyse de l’arsenic sur sol peu contaminé s’avère
Hg 0,25 0,35 plus délicate et ce de façon indépendante de la technique

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Tableau IV : Étude de justesse sur matériau certifié CRM 026-050.

Valeur analyse
Références
Valeur certifiée Écart 1. base de données BASOL sur les sites et sols pollués (ou
Métal ICP-MS Conforme
(mg/kg) (%) potentiellement pollués). http://basol.environnement.
(mg/kg)
gouv.fr.
Pb 25,6 22,9 10,5 oui 2. NF ISO 16772 : Qualité du sol - Dosage du mercure
Zn 140 155 10,7 oui dans les extraits de sol à l’eau régale par spectrométrie
Cr 27,2 27,1 0,4 oui d’absorption atomique à vapeur froide ou par spectrométrie
de fluorescence atomique à vapeur froide. AFNOR.
Cu 18,8 18,8 0,0 oui 3. NF EN ISO 11885 : Qualité de l’eau - Dosage de 33
As 5,41 7,4 36,8 oui éléments par spectroscopie d’émission atomique avec
Ni 14,4 14,6 1,4 oui plasma couplé par induction. AFNOR.
4. ISO 8288 : Qualité de l’eau - Dosage du cobalt,
Cd 11,7 11,9 1,7 oui
nickel, cuivre, zinc, cadmium et plomb. Méthodes par
Hg 2,42 2,7 11,6 oui spectrométrie d’absorption atomique avec flamme.
AFNOR.
analytique choisie. D’autres matériaux certifiés sont 5. Gestion des sites (potentiellement) pollués – Version 2.
BRGM Editions.
alors étudiés pour regarder le comportement de l’arsenic
à des concentrations supérieures (tableau V). Un biais
positif est systématiquement observé mais celui-ci se
réduit de façon importante avec des contaminations
croissantes. Cet écart reste néanmoins contenu dans
l’incertitude de mesure des matériaux certifiés, il n’est
donc pas suffisamment significatif pour remettre en
cause cette méthode d’analyse.

Tableau V : Analyse de l’arsenic sur matériaux certifiés.

Valeur certifiée valeur analyse Écart

Matériau
(mg/kg) ICP-MS (mg/kg) (%)
CRM 7001 10,4 11,9 14
CRM 7002 26,1 27,6 5,8
CRM 7004 42,4 43,4 2,4

Conclusion
L’analyse des huit métaux lourds dans les sols s’avère
tout à fait réalisable par ICP-MS. La prise en charge de
la matrice de minéralisation peut se faire simplement
par une dilution adéquate. La sensibilité de la technique
est suffisante pour garantir les limites de quantification
nécessaires. L’effet mémoire du mercure peut être
géré par un dopage en or à une concentration adaptée.
L’ICP-MS présente alors toutes les garanties pour une
très bonne validité de dosage des métaux lourds. La
méthode est ensuite simple à mettre en œuvre dans un
contexte d’analyses de routine.

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